CN102664013A

CN102664013A - 基于能量选择的离散余弦变换域的音频数字水印方法

Info

Publication number: CN102664013A
Application number: CN2012101138448A
Authority: CN
Inventors: 王铭; 张玲华
Original assignee: Nanjing Post and Telecommunication University
Current assignee: Nanjing Post and Telecommunication University; Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2012-04-18
Filing date: 2012-04-18
Publication date: 2012-09-12

Abstract

本发明公开了一种基于能量选择的离散余弦变换域的音频数字水印方法，属于信息安全技术领域。本发明方法包括将水印嵌入音频载体信号的步骤以及从嵌入水印后的音频信号中提取水印的步骤，在嵌入水印和提取水印的阶段均用到了对时域序列分段及基于时域分段能量选择的方法，利用离散余弦变换能量不变及能量压缩的特性，结合现有的将图像水印嵌入到低频离散余弦变换系数上的音频数字水印方法，自适应的寻找最佳的图像水印嵌入点。相比不经过能量选择的音频水印技术，本发明方法不仅具有较好的隐蔽性，而且具有对常见的信号处理攻击抵御能力强、鲁棒性好的特点。

Description

基于能量选择的离散余弦变换域的音频数字水印方法

技术领域

本发明涉及一种水印嵌入和提取的方法，特别涉及一种基于能量选择的离散余弦变换域的音频数字水印方法，属于信息安全技术领域。

背景技术

数字水印是信息隐藏(Information Hiding)技术研究领域中的一个重要分支，它在多媒体信息的版权保护中起着重要的作用。

数字音频水印是通过将水印嵌入到音频信号中来显示音频信号的真实性和所有权的一种技术，它包括水印的嵌入和提取两个部分。

音频水印应该满足以下要求：(1)隐蔽性：在音频信号加入水印后，所加的数字水印不能影响原音频信号的质量；(2)鲁棒性：嵌入的水印数据不能被未经授权的使用者通过常用的信号处理操作和攻击来移除或消除；(3)安全性：安全性意味着水印只能由被授权的人检测到。(Pranab Kumar Dhar, Isao Echizen. Robust FFT Based Watermarking Scheme for Copyright Protection of Digital Audio Data. 2011 Seventh International Conference on Intelligent Information Hiding and Multimedia Signal Processing,2011:181-184.)

近年来，已经有很多水印算法被提出用来产生强健和隐蔽的音频水印。一些方法在音频信号的时域内嵌入水印。另外的水印技术采用了变换的方法来嵌入水印，例如：离散傅立叶变换(DFT),离散余弦变换(DCT)或者离散小波变化(DWT)。(1、P Bassia, I Pitas, N Nikolaidis. Robust Audio Watermarking in the Time domain. IEEE Transaction on Multimedia,June.2011:vol.3,no.2,pp.232-241.2、L Xie, J Zhang, H He. Robust Audio Watermarking Scheme Based on Nonuniform Discrete Fourier Transform. in Proceedings of IEEE International Conference on Engineering of Intelligent System,2006:1-5.3、G Zeng, Z Qiu. Audio Watermarking in DCT: Embedding Strategy and Algorithm. in Proceedings of 9th International Conference on Signal Processing (ICSP'09),2008: 2193-2196.4、M Pooyan, A Delforouzi. Adaptive and Robust Audio watermarking in Wavelet Domain. in Proceedings of International Conference on International Information Hiding and Multimedia Signal Processing (IIH-MSP 2007),2007:vol. 2,pp.287-290.)而离散余弦变换水印算法因为其计算量较小的特性，使得学者对于该领域的研究较多。

离散余弦变换(DCT)的解析形式如下：

Figure 2012101138448100002DEST_PATH_IMAGE001

(1)

(2)

式中，F为DCT域系数序列，f为时域序列，

Figure 2012101138448100002DEST_PATH_IMAGE003

。

Figure 2012101138448100002DEST_PATH_IMAGE004

(3)

不管通过什么方法在DCT系数上实现水印的嵌入，其最终影响都可以认为是在DCT系数上叠加上一个噪声信号。所以嵌入水印后的第i个DCT系数可以表示为：

Figure 2012101138448100002DEST_PATH_IMAGE005

(4)

对应的嵌入水印后的时域序列可以表示为：

Figure 2012101138448100002DEST_PATH_IMAGE006

Figure 2012101138448100002DEST_PATH_IMAGE007

Figure 2012101138448100002DEST_PATH_IMAGE008

Figure 2012101138448100002DEST_PATH_IMAGE009

Figure 2012101138448100002DEST_PATH_IMAGE010

Figure 2012101138448100002DEST_PATH_IMAGE011

Figure 2012101138448100002DEST_PATH_IMAGE012

Figure 2012101138448100002DEST_PATH_IMAGE013

(5)

式中，

Figure 2012101138448100002DEST_PATH_IMAGE014

(6)

根据式(6)中k的不同取值，式(6)可以表示为：

Figure 2012101138448100002DEST_PATH_IMAGE015

(7)

发明内容

本发明的目的在于提供一种结合音频信号时域分段能量和音频信号能量集中于低频离散余弦变换系数的特点的音频数字水印方法，得到一种更加科学的水印方法，使得水印的嵌入点是根据音频信号分段能量的大小自适应的来确定。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于能量选择的离散余弦变换域的音频数字水印方法，步骤如下：

第一步，计算时域分段序列能量并排序，对采样过后的原始音频时域序列进行分段，对分段后的原始音频时域序列分别计算每段的能量，按分段能量的大小对各个分段进行排序，并建立能量索引来记录排序后分段在排序前的位置序号；

第二步，能量选择，按照降维后水印图片矩阵的大小，根据能量索引从整个时域分段的离散余弦变换系数数组中选择N个能量较大的分段对应的离散余弦变换系数作为水印图片嵌入参考点，N的大小由一维水印图片数组的大小决定；

第三步，水印图片的嵌入，根据一维水印图片的矩阵每行的数值，按照一定的嵌入的规则，修改经过离散余弦变换后相应低频离散余弦变换系数的数值，达到嵌入水印的目的；

第四步，水印图片的提取，对嵌入水印图片的音频信号和原始音频信号的时域序列分别进行分段并进行离散余弦变换，利用分段后的原始音频时域序列的能量索引，按分段能量的大小从两者的离散余弦变换系数数组中选择相应的低频系数进行判决，从而实现水印图片的提取。

本发明与现有技术相比，其显著优点：根据人类听觉***掩蔽特性，利用离散余弦变换能量不变的特性，通过时域序列能量选择自适应的在离散余弦变换域低频系数中寻找最佳的水印图片***点。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明方法水印嵌入流程图

图2是本发明方法水印提取流程图

图3是原始音频信号波形图

图4是嵌入水印图片后的音频信号波形图

图5是对本发明进行鲁棒性测试所得的结果。

具体实施方式

结合图1、图2，本发明基于能量选择的离散余弦变换域的音频数字水印方法，步骤如下：

第一步，计算时域分段序列能量并排序，对采样过后的原始音频时域序列进行分段，对分段后的原始音频时域序列分别计算每段的能量，按分段能量的大小对各个分段进行排序，并建立能量索引来记录排序后分段在排序前的位置序号，具体过程如下：

(1)对原始音频信号进行分段，读入原始音频信号

Figure 2012101138448100002DEST_PATH_IMAGE016

，L的大小由音频信号的时域长度和采样频率决定，

Figure 2012101138448100002DEST_PATH_IMAGE017

是时域音频信号经过采样后每一位的数值，对A进行分段，每段包含L1个采样点，，音频信号被划分为L2段，，得到二维音频数组

Figure 2012101138448100002DEST_PATH_IMAGE020

，

是经过划分后二维音频数组中每一位的数值；

(2) 计算能量，根据公式

Figure 2012101138448100002DEST_PATH_IMAGE022

来计算每个时域分段的能量；

(3) 建立能量索引，对时域序列的分段按能量从大到小进行排序，建立能量索引index来记录排序后的各个分段在能量排序前的位置序号；

第二步，能量选择，按照降维后水印图片矩阵的大小，根据能量索引从整个时域分段的离散余弦变换系数数组中选择N个能量较大的分段对应的离散余弦变换系数作为水印图片嵌入参考点，具体过程如下：

(1) 读入二值水印图片

，

Figure 2012101138448100002DEST_PATH_IMAGE024

为二维水印图片数组中每一位的数值，M1为二维水印图片数组的行数，M2为二维水印图片数组的列数，为了方便进行水印嵌入，将二维图片数组降维至一维，得到，

Figure 2012101138448100002DEST_PATH_IMAGE026

为从二维降至一维后水印图片数组中每一位的数值；

(2) 对每个分段进行离散余弦变换，得到离散余弦变换系数数组

，为每个时域音频分段进行离散余弦变换后离散余弦变换系数数组中每一位的数值；

(3) 根据能量索引index从离散余弦变换系数数组中选择能量较大的N个低频离散余弦变换系数作为水印图片的嵌入参考点，；

第三步，水印图片的嵌入，根据一维水印图片的矩阵每行的数值，按照一定的嵌入的规则，修改经过离散余弦变换后相应的低频离散余弦变换变换系数的数值，达到嵌入水印的目的，具体过程如下：

(1) 将一维水印图片矩阵数值二值化，

Figure 2012101138448100002DEST_PATH_IMAGE030

，以提高嵌入水印的鲁棒性；

(2) 按照一定的规则进行水印嵌入，，

Figure 2012101138448100002DEST_PATH_IMAGE032

是第h个分段的低频DCT系数，

是嵌入水印的值，

是比例因子；

第四步，水印图片的提取，对嵌入水印图片的音频信号和原始音频信号的时域序列分别进行分段并进行离散余弦变换，利用分段后的原始音频时域序列的能量索引，按分段能量的大小从两者的离散余弦变换系数数组中选择相应的低频系数进行判决，从而实现水印图片的提取，具体过程如下：

(1) 对嵌入水印图片后的音频信号进行分段，读入嵌入水印后的音频信号，

Figure 2012101138448100002DEST_PATH_IMAGE036

为对嵌入水印图片后的时域音频信号进行采样后每一位的数值，对D进行分段，每段包含L1个采样点，

，音频信号被划分为L2段，，得到二维音频数组

，

Figure 2012101138448100002DEST_PATH_IMAGE038

为对

进行划分后二维音频数组中每一位的数值；

(2) 对

Figure 2012101138448100002DEST_PATH_IMAGE040

的每个时域分段进行离散余弦变换，得到离散余弦变换系数数组

，

Figure 2012101138448100002DEST_PATH_IMAGE042

为每个嵌入水印图片后的时域音频分段进行离散余弦变换后离散余弦变换系数数组中每一位的数值；

(3) 根据原始音频信号的能量索引index，分别从C和E中选择相对应的DCT低频系数进行大小判决，若E中离散余弦变换低频系数的数值>C中离散余弦变换低频系数的数值，则判定该位水印图片数值矩阵数值为1，若E中离散余弦变换低频系数的数值<C中离散余弦变换低频系数的数值，则判定该位水印图片数值矩阵数值为0；

(4) 将一维水印图片矩阵升为二维矩阵，实现嵌入水印图片的提取。

为了验证本发明方法的效果，分别进行以下实验：

(1) 隐藏性测试：检测本发明方法对于嵌入的水印图片的隐藏性。原始音频信号采用如图3所示的采样频率为22.05kHz，采样大小为16位，位速为352kbps，时长为5.0363s的wav音频文件，采样点数为111051个。当取0.1时，嵌入水印图像后的音频文件波形图如图4所示。

(2) 鲁棒性测试：检测本发明方法和未经过能量选择的传统方法在经受各种常见的信号处理攻击时嵌入水印的受损情况。所受攻击分别为白噪声攻击、滤波攻击和重量化攻击。如图5所示，A为原始水印，B1为未加任何攻击时本发明方法的水印提取效果，B2为未加任何攻击时传统方法的水印提取效果；C1为加性高斯白噪声攻击时本发明方法的水印提取效果，C2为加性高斯白噪声攻击时传统方法的水印提取效果；D1为低通巴特沃斯滤波器攻击时本发明方法的水印提取效果，D2为低通巴特沃斯滤波器攻击时传统方法的水印提取效果；E1为8bit重量化攻击时本发明方法的水印提取效果，E2为8bit重量化攻击时传统方法的水印提取效果。

Claims

1.一种基于能量选择的离散余弦变换域的音频数字水印方法，其特征在于包含以下步骤：

第三步，水印图片的嵌入，根据一维水印图片的矩阵每行的数值，按照一定的嵌入的规则，修改经过离散余弦变换后相应的低频离散余弦变换系数的数值，达到嵌入水印的目的；

2.根据权利要求1所述的基于能量选择的离散余弦变换域的音频数字水印方法，其特征在于计算时域分段序列能量并排序，具体过程如下：

第一步，对原始音频信号进行分段，读入原始音频信号，L的大小由音频信号的时域长度和采样频率决定，

是时域音频信号经过采样后每一位的数值，对A进行分段，每段包含L1个采样点，，音频信号被划分为L2段，

，得到二维音频数组

，

是对

Figure 2012101138448100001DEST_PATH_IMAGE013

经过划分后二维音频数组中每一位的数值；

第二步，计算能量，根据公式

Figure 2012101138448100001DEST_PATH_IMAGE015

来计算每个时域分段的能量；

第三步，建立能量索引，对时域序列的分段按能量从大到小进行排序，建立能量索引index来记录排序后的各个分段在能量排序前的位置。

3.根据权利要求1所述的基于能量选择的离散余弦变换域的音频数字水印方法，其特征在于能量选择，具体过程如下：

第一步，读入二值水印图片

Figure 2012101138448100001DEST_PATH_IMAGE017

，

Figure 2012101138448100001DEST_PATH_IMAGE019

为二维水印图片数组中每一位的数值，M1为二维水印图片数组的行数，M2为二维水印图片数组的列数，为了方便进行水印嵌入，将二维图片数组降维至一维，得到

Figure 2012101138448100001DEST_PATH_IMAGE021

，

Figure 2012101138448100001DEST_PATH_IMAGE023

为从二维降至一维后水印图片数组中每一位的数值；

第二步，对每个分段进行离散余弦变换，得到离散余弦变换系数数组

Figure 2012101138448100001DEST_PATH_IMAGE025

第三步，根据能量索引index从离散余弦变换系数数组中选择能量较大的N个低频离散余弦变换系数作为水印图片的嵌入参考点，。

4.根据权利要求1所述的基于能量选择的离散余弦变换域的音频数字水印方法，其特征在于水印图片的嵌入，具体过程如下：

第一步，将一维水印图片矩阵数值二值化，，以提高嵌入水印的鲁棒性；

第二步，按照一定的规则进行水印嵌入，

，

Figure 2012101138448100001DEST_PATH_IMAGE033

是第h个分段的低频离散余弦变换系数，是嵌入水印的值，

是比例因子。

5.根据权利要求1所述的基于能量选择的离散余弦变换域的音频数字水印方法，其特征在于水印图片的提取，具体过程如下：

第一步，对嵌入水印图片后的音频信号进行分段，读入嵌入水印后的音频信号

，

为对嵌入水印图片后的时域音频信号进行采样后每一位的数值，对D进行分段，每段包含L1个采样点，L1=16，音频信号被划分为L2段，L2=L/L1，得到二维音频数组

，

为对

Figure 2012101138448100001DEST_PATH_IMAGE045

进行划分后二维音频数组中每一位的数值；

第二步，对

Figure 2012101138448100001DEST_PATH_IMAGE047

Figure 2012101138448100001DEST_PATH_IMAGE049

，

第三步，根据原始音频信号的能量索引index，分别从C和E中选择相对应的离散余弦变换低频系数进行大小判决，若E中离散余弦变换低频系数的数值>C中离散余弦变换低频系数的数值，则判定该位水印图片数值矩阵数值为1，若E中离散余弦变换低频系数的数值<C中离散余弦变换低频系数的数值，则判定该位水印图片数值矩阵数值为0；

第四步，将一维水印图片矩阵升为二维矩阵，实现嵌入水印图片的提取。